Apakah itu reaktor kimia? Jenis-jenis reaktor kimia

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-02 14:00

Tindak balas kimia ialah proses yang membawa kepada transformasi bahan tindak balas. Ia dicirikan oleh perubahan yang menghasilkan satu atau lebih produk yang berbeza daripada yang asal. Tindak balas kimia adalah sifat yang berbeza. Ia bergantung pada jenis reagen, bahan yang diperoleh, keadaan dan masa sintesis, penguraian, sesaran, pengisomeran, asid-bes, redoks, proses organik, dll.

Reaktor kimia ialah bekas yang direka bentuk untuk menjalankan tindak balas bagi menghasilkan produk akhir. Reka bentuk mereka bergantung pada pelbagai faktor dan harus memberikan output maksimum dengan cara yang paling kos efektif.

Paparan

Terdapat tiga model asas utama reaktor kimia:

• Berkala.
• Dikacau Berterusan (CPM).
• Reaktor Aliran Plunger (PFR).

Model asas ini boleh diubah suai untuk memenuhi keperluan proses kimia.

Reaktor kelompok

Unit kimia jenis ini digunakan dalam proses kelompok dengan volum pengeluaran yang rendah, masa tindak balas yang panjang atau di mana selektiviti yang lebih baik dicapai, seperti dalam beberapa proses pempolimeran.

Untuk ini, contohnya, bekas keluli tahan karat digunakan, kandungannya bercampur dengan bilah kerja dalaman, gelembung gas atau menggunakan pam. Kawalan suhu dijalankan menggunakan jaket penukar haba, penyejuk pengairan atau mengepam melalui penukar haba.

Reaktor kelompok kini digunakan dalam industri kimia dan pemprosesan makanan. Automasi dan pengoptimuman mereka menimbulkan kesukaran, kerana perlu untuk menggabungkan proses berterusan dan diskret.

Reaktor kimia separuh kelompok menggabungkan operasi berterusan dan kelompok. Bioreaktor, sebagai contoh, dimuatkan secara berkala dan sentiasa mengeluarkan karbon dioksida, yang mesti disingkirkan secara berterusan. Begitu juga dalam tindak balas pengklorinan, apabila gas klorin adalah salah satu bahan tindak balas, jika ia tidak dimasukkan secara berterusan, kebanyakannya akan meruap.

Untuk memastikan volum pengeluaran yang besar, reaktor kimia berterusan atau tangki logam dengan pengaduk atau aliran berterusan digunakan terutamanya.

Reaktor kacau berterusan

Reagen cecair dimasukkan ke dalam tangki keluli tahan karat. Untuk memastikan interaksi yang betul, ia dicampur dengan bilah kerja. Oleh itu, dalamDalam reaktor jenis ini, bahan tindak balas secara berterusan dimasukkan ke dalam tangki pertama (menegak, keluli), kemudian mereka memasuki yang berikutnya, sambil dicampur dengan teliti dalam setiap tangki. Walaupun komposisi campuran adalah homogen dalam setiap tangki individu, dalam sistem secara keseluruhan kepekatan berbeza dari tangki ke tangki.

Jumlah purata masa yang dibelanjakan oleh reagen diskret dalam tangki (masa kediaman) boleh dikira dengan hanya membahagikan isipadu tangki dengan purata kadar aliran isipadu melaluinya. Peratusan penyiapan tindak balas yang dijangkakan dikira menggunakan kinetik kimia.

Tangki diperbuat daripada keluli tahan karat atau aloi, serta dengan salutan enamel.

Beberapa aspek penting NPM

Semua pengiraan adalah berdasarkan pencampuran sempurna. Tindak balas berlaku pada kadar yang berkaitan dengan kepekatan akhir. Pada keseimbangan, kadar aliran mestilah sama dengan kadar aliran, jika tidak tangki akan melimpah atau kosong.

Ia selalunya menjimatkan kos untuk bekerja dengan berbilang HPM bersiri atau selari. Tangki keluli tahan karat yang dipasang dalam lata lima atau enam unit boleh berkelakuan seperti reaktor aliran palam. Ini membolehkan unit pertama beroperasi pada kepekatan bahan tindak balas yang lebih tinggi dan oleh itu kadar tindak balas yang lebih cepat. Selain itu, beberapa peringkat HPM boleh diletakkan dalam tangki keluli menegak, bukannya proses yang berlaku dalam bekas yang berbeza.

Dalam versi mendatar, unit berbilang peringkat dipisahkan oleh sekatan menegak pelbagai ketinggian yang melaluinya campuran mengalir dalam lata.

Apabila bahan tindak balas tidak bercampur dengan ketara atau berbeza dengan ketara dalam ketumpatan, reaktor berbilang peringkat menegak (bergaris atau keluli tahan karat) digunakan dalam mod berlawanan. Ini berkesan untuk menjalankan tindak balas boleh balik.

Lapisan pseudo-cecair kecil bercampur sepenuhnya. Reaktor katil terbendalir komersil yang besar mempunyai suhu yang ketara seragam, tetapi campuran aliran boleh larut dan sesar serta keadaan peralihan di antara mereka.

Reaktor kimia aliran palam

RPP ialah reaktor (tahan karat) di mana satu atau lebih bahan tindak balas cecair dipam melalui paip atau paip. Mereka juga dipanggil aliran tiub. Ia mungkin mempunyai beberapa paip atau tiub. Reagen sentiasa masuk melalui satu hujung dan produk keluar dari hujung yang lain. Proses kimia berlaku semasa campuran melaluinya.

Dalam RPP, kadar tindak balas adalah kecerunan: pada input ia adalah sangat tinggi, tetapi dengan penurunan kepekatan reagen dan peningkatan dalam kandungan produk keluaran, kadarnya menjadi perlahan. Biasanya keadaan keseimbangan dinamik dicapai.

Orientasi reaktor mendatar dan menegak adalah perkara biasa.

Apabila pemindahan haba diperlukan, tiub individu disarungkan atau penukar haba shell dan tiub digunakan. Dalam kes kedua, bahan kimia mungkinkedua-duanya dalam cangkerang dan tiub.

Bekas logam berdiameter besar dengan muncung atau tab mandi adalah serupa dengan RPP dan digunakan secara meluas. Sesetengah konfigurasi menggunakan aliran paksi dan jejari, pelbagai cengkerang dengan penukar haba terbina dalam, kedudukan reaktor mendatar atau menegak dan sebagainya.

Bejana reagen boleh diisi dengan pepejal pemangkin atau lengai untuk meningkatkan sentuhan antara muka dalam tindak balas heterogen.

Adalah penting dalam RPP bahawa pengiraan tidak mengambil kira pencampuran menegak atau mendatar - inilah yang dimaksudkan dengan istilah "aliran palam". Reagen boleh dimasukkan ke dalam reaktor bukan sahaja melalui salur masuk. Oleh itu, adalah mungkin untuk mencapai kecekapan RPP yang lebih tinggi atau mengurangkan saiz dan kosnya. Prestasi RPP biasanya lebih tinggi daripada HPP dengan volum yang sama. Dengan nilai isipadu dan masa yang sama dalam reaktor omboh, tindak balas akan mempunyai peratusan penyiapan yang lebih tinggi daripada dalam unit pencampuran.

Imbangan Dinamik

Untuk kebanyakan proses kimia, adalah mustahil untuk mencapai penyelesaian 100 peratus. Kelajuan mereka berkurangan dengan pertumbuhan penunjuk ini sehingga saat sistem mencapai keseimbangan dinamik (apabila jumlah tindak balas atau perubahan dalam komposisi tidak berlaku). Titik keseimbangan bagi kebanyakan sistem adalah di bawah 100% penyiapan proses. Atas sebab ini, adalah perlu untuk menjalankan proses pengasingan, seperti penyulingan, untuk memisahkan bahan tindak balas atau hasil sampingan yang tinggal daripadasasaran. Reagen ini kadangkala boleh digunakan semula pada permulaan proses seperti proses Haber.

Permohonan PFA

Reaktor aliran omboh digunakan untuk menjalankan transformasi kimia sebatian semasa ia bergerak melalui sistem seperti tiub untuk tindak balas skala besar, cepat, homogen atau heterogen, pengeluaran berterusan dan proses penjanaan haba tinggi.

RPP yang ideal mempunyai masa tinggal tetap, iaitu sebarang cecair (omboh) yang masuk pada masa t akan meninggalkannya pada masa t + τ, dengan τ ialah masa kediaman dalam pemasangan.

Reaktor kimia jenis ini mempunyai prestasi tinggi dalam jangka masa yang lama, serta pemindahan haba yang sangat baik. Kelemahan RPP ialah kesukaran mengawal suhu proses, yang boleh menyebabkan turun naik suhu yang tidak diingini dan kosnya yang lebih tinggi.

Reaktor pemangkin

Walaupun jenis unit ini sering dilaksanakan sebagai RPP, ia memerlukan penyelenggaraan yang lebih kompleks. Kadar tindak balas pemangkin adalah berkadar dengan jumlah mangkin yang bersentuhan dengan bahan kimia. Dalam kes pemangkin pepejal dan bahan tindak balas cecair, kadar proses adalah berkadar dengan kawasan yang tersedia, input bahan kimia dan pengeluaran produk dan bergantung pada kehadiran pencampuran bergelora.

Tindak balas pemangkin sebenarnya selalunya berbilang langkah. Bukan sahajabahan tindak balas awal berinteraksi dengan mangkin. Sesetengah produk perantaraan turut bertindak balas dengannya.

Tingkah laku pemangkin juga penting dalam kinetik proses ini, terutamanya dalam tindak balas petrokimia bersuhu tinggi, kerana ia dinyahaktifkan oleh pensinteran, coking dan proses yang serupa.

Menggunakan teknologi baharu

RPP digunakan untuk penukaran biojisim. Reaktor tekanan tinggi digunakan dalam eksperimen. Tekanan di dalamnya boleh mencapai 35 MPa. Penggunaan beberapa saiz membolehkan masa kediaman diubah dari 0.5 hingga 600 s. Untuk mencapai suhu melebihi 300 °C, reaktor yang dipanaskan secara elektrik digunakan. Biojisim dibekalkan oleh pam HPLC.

RPP aerosol nanopartikel

Terdapat minat yang besar dalam sintesis dan penggunaan zarah bersaiz nano untuk pelbagai tujuan, termasuk aloi aloi tinggi dan konduktor filem tebal untuk industri elektronik. Aplikasi lain termasuk pengukuran kerentanan magnet, penghantaran inframerah jauh dan resonans magnet nuklear. Untuk sistem ini adalah perlu untuk menghasilkan zarah dengan saiz terkawal. Diameternya biasanya dalam julat 10 hingga 500 nm.

Disebabkan saiz, bentuk dan luas permukaan khusus yang tinggi, zarah-zarah ini boleh digunakan untuk menghasilkan pigmen kosmetik, membran, pemangkin, seramik, reaktor pemangkin dan fotokatalitik. Contoh aplikasi untuk zarah nano termasuk SnO₂ untuk penderiakarbon monoksida, TiO₂ untuk panduan cahaya, SiO_{2 untuk silikon dioksida koloid dan gentian optik, C untuk pengisi karbon dalam tayar, Fe untuk bahan rakaman, Ni untuk bateri dan, sedikit sebanyak, paladium, magnesium dan bismut. Semua bahan ini disintesis dalam reaktor aerosol. Dalam bidang perubatan, zarah nano digunakan untuk mencegah dan merawat jangkitan luka, dalam implan tulang buatan dan untuk pengimejan otak.}

Contoh pengeluaran

Untuk mendapatkan zarah aluminium, aliran argon tepu dengan wap logam disejukkan dalam RPP dengan diameter 18 mm dan panjang 0.5 m dari suhu 1600 °C pada kadar 1000 °C/s. Apabila gas melalui reaktor, nukleasi dan pertumbuhan zarah aluminium berlaku. Kadar alir ialah 2 dm3/min dan tekanan ialah 1 atm (1013 Pa). Semasa ia bergerak, gas menjadi sejuk dan menjadi supertepu, yang membawa kepada penukleasian zarah akibat perlanggaran dan penyejatan molekul, berulang sehingga zarah mencapai saiz kritikal. Apabila ia bergerak melalui gas tepu tepu, molekul aluminium terkondensasi pada zarah, meningkatkan saiznya.